为什么飞机螺旋桨旋转时产生的是拉力,而电风扇旋转时产生的是风?
▍ℚ为什么飞机螺旋桨旋转时产生的是拉力,而电风扇旋转时产生的是风?
为什么飞机螺旋桨旋转时产生的是拉力,而电风扇旋转时产生的是风?
电风扇可是夏天省不了的电器,仲夏夜,空调加上电风扇,再来一部《决战中途岛》,那绝对是一种享受,美军飞行员驾驶着“无畏”式俯冲轰炸机冒着密集的高射炮火,将炸弹了投向了赤城号航母甲板后方,炸弹穿过甲板在机库中爆炸,赤城号弹药殉爆,不就就沉入波光粼粼的太平洋。
但问题来了,这电风扇吹出的是丝丝凉风,而二战的战斗机前面也是个大风扇,却能将飞机拉到天上,两者之间的差距怎么会那么大呢?
螺旋桨飞机是怎么飞上天的?
早期的飞机都是螺旋桨作为动力的,现代飞机则大都是喷气式动力,所以两者起飞的时候有些许差别,因为螺旋桨飞机发动机在前方,重心也在前方,所以是后三点式起落架,起飞时先抬起尾翼。喷气式发动机重心比较靠后,起飞时先抬起机头,其余的飞行原理就差别不大了!
让飞机起飞的真是伯努利原理吗?
说起飞机飞行的原理,即使上网查询告诉你的也是伯努利原理,道理很简单,机翼上方气流速度大于下方,所以上方气压低,下方气压高,所以产生了升力!而且书本上夹张纸条吹口气就知道原理了一目了然,简直好有道理!
但其实飞机如果真的只靠伯努利原理的话,那估计机翼要增加数倍,因为飞机的升力,我们不排除有一部分来自伯努利原理,但更多的是迎角以及涡流和襟翼,还有附面层下洗气流,90%以上的升力都来自这些区域!
飞机的迎角非常关键,它是飞行器升力的主要来源,它必须在一定的迎角内飞行,比如起飞时推力最大,尾翼向下偏转,给一个抬头力矩,迎角比较大,然后襟翼放下,增加升力,起飞爬升后,襟翼渐渐收起,等爬到一定高度后飞机改平,其实此时仍然有一定的迎角,这个是机翼设计时就有一定的迎角,巡航时保持飞行器的升力!
以前的飞机都是液压或者线控式,都是静安定设计,没有所谓的飞控系统,所以人力都必须要随时控制飞机,不能离开驾驶舱,但现代飞机为了节省油料以及获得更好的飞行性能,大都采用静不安定设计,连客机都开始放宽静稳定设计,因为可以带来更高的升阻比,降低油耗等!
但却有一个缺点,放宽静稳定设计后,所有的操纵面大大小小几十个,用人力来控制显然不人道,所以就会有一套飞控系统来控制,但飞控一旦故障,事情就严重了,去年波音737的事故就是迎角传感器故障,导致飞控认为飞机迎角过大而开始自动调整飞机飞行姿态!
攻角传感器(迎角)
然后就反复调整飞机进入俯冲,以增加速度,获得升力,但结果此时飞机并没有迎角偏大,结果飞机在飞行员控制下强行拉起,然后飞控又进入俯冲,最后飞机失去高度坠毁!
飞机迎角是不是很重要?
当然飞机动力更重要!
其实飞机采用什么动力根本就没啥关系,足够的推重比即可,一般喷气式战斗机至少也得0.6左右,大部分三代机都是0.8到1.0,而现代高性能战斗机则是1.1-1.2!
客机和早期的螺旋桨飞机,推重比就很低了,只需要0.1-0.2即可,当然两者机翼形状不一样,早起螺旋桨飞机都是矩形翼,或者椭圆翼,升力比较大,但阻力也大,而且不适合高速飞行!现代飞机的梯形翼或者三角翼,或者两者结合,甚至前掠翼等,都是高性能机翼!
只要有合适的发动机,连板砖都飞起来,英雄不问出处,螺旋桨也能提供动力,它转动把空气向后推,反作用力飞机取得飞行的动力,这个向后推出的空气量产生的拉力和飞机重量相比,就是推重比了,但有几个非常关键的参数就是,螺旋桨形状、桨距和转速。
桨型很关键,如果装个电风扇那样宽大的螺旋桨上去,尽管它排出的空气量确实不小,但还有一个螺旋桨的面积产生的阻力,绝对得不偿失!
还有一个则是桨距,这个很好理解,桨距就是螺旋桨偏转的角度,当然角度越大,风量也越大,但它总有个极限,比如变成90度就没戏了,所以它和转速以及桨型之间有一个关系,最大化利用动力当然是极好的!
不同桨距模式
最后则是转速,螺旋桨尖很容易在高速下突破音速,所以此时螺旋桨尖就气流就分离了,失去了螺旋桨的作用,因此避免超音速气流分离也是高速空气桨的可以课题,这个其实简单,控制转速不就好了么?但同样存在一个效率问题。
电风扇怎么就没飞上天呢?
准确的说电风扇没有上天是因为它的功率太低了,比如直升机全都是螺旋桨产生的升力来来悬停,当然还有部分地效作用,所以直升机悬停分有地效悬停和无地效悬停,相对有地效悬停海拔可以高一些,无地效悬停海拔就比较低了!
差别可不是一般的大
道理很简单,螺旋桨产生的拉力和飞行器重量相等时,即可悬停,有地效悬停就是螺旋桨和地面之间产生类似一个气垫效应托住飞机(当直升机距离地面比较近时,其旋翼下洗气流会受到地面的影响,地面阻碍造成的流场变化使旋翼消耗的诱导功率(用于加速流经旋翼的空气)减小),而无地效悬停就是没有这个气垫效应!所以两者是有比较大差异的!
当电风扇吹风面朝下时,它也产生了气垫效应和推力,但这个力不足以和它自身的重力抗衡,因此它无法起飞,但此时你如果将其放在弹簧秤上称一下,那么就可以明白,此时它的重量降低了,而减少的重量就是电风扇转动时产生的升力,当然电风扇的质量是不会变的。
如果你使用一个大功率的无刷高速电机,装上螺旋桨,然后调节转速,它是会飞起来的,但有一个作用你不可忽视,就是反向扭矩导致的扭转,这就是直升机要尾桨来平衡的原因或者用俄罗斯卡-52类似的串列正反转螺旋桨!
无刷电机+双螺旋浆
或者用麦道著名的MD600N无尾桨直升机,其实在那粗大的尾梁内,有一个从主旋翼下方导入气流经过一个风扇到尾部的开孔,它的好处时候没有尾桨不会不小心打到障碍物!
MD600N直升机尾梁结构
MD600N直升机
▍║为什么飞机螺旋桨旋转时产生的是拉力,而电风扇旋转时产生的是风?
用途不同,电风扇要的就是风,飞机螺旋桨要的是拉力,要拉着飞机飞行。要讲清楚这个问题我们可以从飞机的机翼来做一个解剖,飞机的机翼上下面是不一样的,下面的翼面是类似平面的,这样一来空气气流通过时速度就慢,也可以说是正常的流速。上翼面是凸起的,也就是有一个曲率,这样空气气流通过时气流发散,流速快。空气经过机翼被分成上下两股气流,下气流流速慢,压强大,上气流发散,流失快压强小,力都是作用力与反作用力共同存在的,这样下翼面的力就会向上翼面转移,这就是升力。
那么和螺旋桨有什么关系呢?因为螺旋桨的叶片就是一个转动的机翼。例如,美国的鱼鹰运输机就是一个很好的例子。
螺旋桨叶的剖面形状与机翼的剖面形状很相似,前面的翼面曲率大,背面翼面平,并且每支桨叶的前缘与发动机输出轴旋转方向一致,相当于机翼被空气气流吹过,螺旋桨叶片有一个扭角,这个扭角(桨叶角)相当于飞机机翼的迎角,所以,螺旋桨飞机并非是依靠螺旋桨吹动空气推着飞机走,而是拉着飞机走,当然,螺旋桨叶片也会产生向后吹动的空气,这个空气气流理论上可以具有推动飞机飞行的力,实则并不强,因为空气经过螺旋桨叶片后,受到桨叶角的作用会发散,这个吹力不足以带动飞机飞行。
电风扇不需要拉力,而是需要吹力,如果把电风扇的叶片做成螺旋桨飞机的叶片形状,电风扇会跑掉的,也会使风量减少。电风扇叶片不用考虑叶片两面形状不一样,只需要解决叶片扭角就可以,这样风量大。所以,电风扇叶片制作比较简单,不需要两面结构不同,用一片铁片,或者是塑料片就可以了。螺旋桨飞机的螺旋桨则不可以,必须要前后叶面结构不同,一面近乎平面,前面有曲率。
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▍▅为什么飞机螺旋桨旋转时产生的是拉力,而电风扇旋转时产生的是风?
看看风扇扇叶的形状,都是相对旋转平面扭曲一定的角度弧形,通电后,从扇叶向前扭曲的一侧向扇叶向后扭曲的一侧转动,对前面的空气施加向前的推力,使之向前流动形成风。同时,空气对扇叶施加向后的推力,如果不是风扇质量较大,且底座受到阻力,就会被推得后退。
试想,将风扇的扇叶反过来安装,并且,电动机反向转动,扇叶就会将空气向后推出,同时,空气对扇叶施加向前的推力,扇叶对电动机就产生向前的拉力。
与此类似,飞机的螺旋桨也通过倾斜的桨叶产生拉力。同时,当螺旋桨旋转时,桨叶将空气划开,以桨叶为参照物,空气分别从桨叶的两面流过。由于桨叶的一面(前面)凸起一面(后面)是平的,相同时间内,空气流过前面的路程大于后面,因此,流过前面的空气流速大于后面。根据伯努利原理,流体在流速大的地方压强小,流速小的地方压强大。这样,空气对桨叶的前后两面存在压强差,这个压强差对桨叶产生向前的压力差,对飞机就表现为向前的拉力。
▍☂为什么飞机螺旋桨旋转时产生的是拉力,而电风扇旋转时产生的是风?
其实飞机螺旋桨和电扇的工作原理是一样的,都是让人凉快的,不然螺旋桨飞机在空中时突然螺旋桨停了,你看他出汗不。
▍#为什么飞机螺旋桨旋转时产生的是拉力,而电风扇旋转时产生的是风?
两者在本质上是完全一样的,但是呢题主描述的时候,一个说成是力,一个说成是风。所以,这里面必须要说清楚,力是怎么来的?风又是如何形成的?实际上,叶片的旋转,与空气发生相互作用,两者之间的作用力就是螺旋桨的力,空气被螺旋桨推开,就形成了风。
1、螺旋桨与电风扇——叶片的形状
没见过螺旋桨,肯定见过电风扇,再不济小时候玩过的风车肯定见过。当然,严格来讲,风车跟前两者存在着很大的区别(主动和被动)。不过,其叶片形状比较类似。单个叶片都是不规则形状,成扭曲状。
2、扭曲的叶片——与空气的相互作用
我们生活的空间,到处都充满了空气,虽然我们看不见、摸不着,但是空气真实存在着。螺旋桨,或者电风扇,它们的叶片在旋转过程中,也空气无时无刻发生着相互的作用。就像我们的手,快速抡起来的时候,是可以感知到空气的存在,这个感知其实就是凭借空气对我们手臂的作用。
由于扭曲的叶片,在旋转的时候,在它的旋转的圆周方向上,与空气存在着接触。旋转的叶片会推挤这部分空气,把这部分空气往前推,如下图蓝色箭头。由于空气是流体,叶片附近的空气被叶片往前推开后,后方的空气就会补充进来,如下图红色箭头。于是,就会源源不断地将空气往右推送,形成了风。在这个过程中,叶片推挤空气,空气能够往前运动,根据牛顿定理,必然存在着力的作用。
至此,应该已经回答完题主的问题了。但是,我们会发现一个奇怪的问题,为什么螺旋桨的叶片和电风扇的叶片,形状差距这么大?
3、叶片的设计
叶片的具体结构跟需求有关。对于电风扇,只需要合适的风量就可以了,它的转速较小,叶片结构受力也较小,于是那种塑料材质的形状圆圆的就可以满足使用要求了。但是,对于螺旋桨来说,转速较大,其叶片必须经过严格的计算分析,既要满足使用要求,达到其相应的功能,也要保证叶片自身结构的强度和刚度。
实际上,这个分析还是比较复杂的,它不像普通的结构与空气无关。叶片结构与空气密切相关,这就涉及到了固体和流体两种形态。单个分析的时候,应该说是比较容易地。但是固体和流体在一起,分析的时候就复杂一些了。所以,能够生产螺旋桨的企业,一定是有自己技术储备的,并不是随便一个人就能分析成功的(山寨排除在外)。
4、总结
无论是螺旋桨,还是电风扇,在旋转的过程中,叶片会与空气发生相互作用,产生作用力,这个力推挤空气,形成风。
叶片的具体形状与使用需求(设计指标)有关,需要经过严格的计算分析,才能保证功能的同时,自身结构够结实。
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